基于CFD?PBM模擬水力旋流器油水分離特性研究

賈朋，陳家慶，蔡小壘，孔令真，王春升，尚超，張明，石熠

基于CFD?PBM模擬水力旋流器油水分離特性研究

賈朋1，陳家慶1，蔡小壘1，孔令真1，王春升2，尚超2，張明2，石熠1

（1. 北京石油化工學(xué)院 機械工程學(xué)院/深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室，北京 102617；2. 中海油研究總院 工程研究設(shè)計院，北京 100028）

分析討論了常規(guī)歐拉模型和耦合PBM下水力旋流器的靜壓力、切向速度及湍流耗散率等流場信息分布規(guī)律，結(jié)果表明在流場預(yù)測方面二者基本一致。在此基礎(chǔ)上，采用基于PBM模型的CFD數(shù)值模擬方法，對水力旋流器的分離特性進行研究，并探究了不同入口流量、溢流分流比、油相黏度及密度等因素對油滴粒徑分布以及油水分離特性的影響。結(jié)果表明，隨著入口流量的增加，水力旋流器的分離效率呈先增大后減小的趨勢，在處理量為4 m3/h時達到98%的最高分離效率；溢流分流比的增大有利于提升分離效率；隨著油相黏度的增大，油滴受到的徑向力減小，不易發(fā)生聚結(jié)，使分離效率明顯降低；油相密度的增大導(dǎo)致尾管段平均油滴粒徑的增加，使分離效率明顯降低?？傮w而言，利用CFD?PBM數(shù)值模擬方法可以獲得水力旋流器內(nèi)部油滴粒徑分布及變化特性，有利于從不同尺度揭示水力旋流器的分離機理。

水力旋流器； 數(shù)值模擬； 群落平衡模型； 粒徑分布； 分離效率

在重力沉降、離心分離、氣浮分離等含油污水單元除油技術(shù)中，以水力旋流器為代表的離心分離技術(shù)因具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、體積緊湊、分離效率高等優(yōu)點而受到高度關(guān)注[1?2]。自20世紀(jì)70年代英國南安普頓大學(xué)M. T. Thew等[3]研制出第一臺商用高壓Vortoil型靜態(tài)水力旋流器進行油水分離以來，對水力旋流器結(jié)構(gòu)形式及流動特性的研究不斷豐富和發(fā)展，分離性能大幅度提升，所采用的研究手段一般分為實驗測試和計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬兩大類[4?6]。實驗測試是最早使用也是到目前為止使用最廣的研究手段，能夠真實得到水力旋流器的分離效率及其變化規(guī)律。但實驗測試手段無法有效獲得油滴粒徑和濃度分布等流場信息，難以從機理方面揭示分離過程中各因素對水力旋流器分離效率的影響機制[7?9]。隨著計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，采用CFD數(shù)值模擬手段對水力旋流器的分離過程進行數(shù)值模擬研究，獲得內(nèi)部壓力、速度、油滴粒徑分布和濃度分布等流場信息，建立微觀流動特性與宏觀分離特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，已經(jīng)逐漸成為一種更為經(jīng)濟、有效可靠的研究手段。例如：英國謝菲爾德大學(xué)M. D. Slack[10]利用雷諾應(yīng)力模型（RSM）對水力旋流器的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，得到了旋流器內(nèi)的速度場、壓力場分布等信息[11?12]。但水力旋流器在進行液液分離過程中存在強湍流和剪切力的作用，導(dǎo)致油滴發(fā)生破碎和聚結(jié)，直接影響分離效率。受限于CFD數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展水平，現(xiàn)有大部分研究對流場內(nèi)的離散相液滴粒徑進行均一化定值處理，忽略分散相液滴間的聚并與破碎過程。因此研究不同流場或工況參數(shù)對水力旋流器分離性能的影響，其結(jié)果的有效性需要重新審視。

群落平衡模型（Population Balance Model, PBM）是M.K. Fukushi等[13]基于分散相液滴聚并和破碎后液滴數(shù)量及質(zhì)量守恒提出的一種基礎(chǔ)理論模型，是迄今研究分散相液滴群運移規(guī)律和碰撞效率最成熟也是應(yīng)用最為廣泛的方法。近十多年來，將CFD預(yù)測流場能力和PBM模型計算離散相粒徑分布及變化優(yōu)點相結(jié)合的CFD?PBM數(shù)值模擬方法，為研究水力旋流器在不同水動力學(xué)條件下多相流內(nèi)的液滴群動力學(xué)行為提供了可行方案，使模擬出的水力旋流器分離性能更為真實。例如，王振波等[14?16]通過不考慮液滴聚結(jié)破碎數(shù)值模擬與考慮液滴聚結(jié)破碎實驗測試相結(jié)合的手段，研究了水力旋流器中液滴的聚結(jié)與破碎，發(fā)現(xiàn)液滴聚結(jié)破碎的主要原因是旋流器內(nèi)的高剪切力與湍動能，并得到了操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)等對液滴聚結(jié)破碎的影響。A. Motin等[17]利用CFD?PBM數(shù)值模擬研究了水力旋流器液滴的聚結(jié)與破碎，發(fā)現(xiàn)湍流能量耗散是影響液滴聚結(jié)或破碎主要因素之一。袁惠新等[18?19]分析闡述了水力旋流器內(nèi)存在液滴聚結(jié)與破碎現(xiàn)象，利用CFD?PBM數(shù)值模擬方法研究了液滴聚結(jié)與破碎對水力旋流器分離性能的影響，發(fā)現(xiàn)固定尺寸的水力旋流器存在最佳處理量，增大油相體積會促進油滴聚并。吳應(yīng)湘課題組利用CFD?PBM數(shù)值模擬探究了不同聚結(jié)模型對旋流器內(nèi)液滴聚結(jié)行為的影響，發(fā)現(xiàn)簡化Prince?Blanch模型的預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合度較高[20]。李楓等[21]利用CFD?PBM數(shù)值模擬對水力旋流器分離過程中油滴聚并破碎行為進行研究，討論了分流比和處理量等操作參數(shù)對分離性能的影響?？傮w來看，CFD?PBM數(shù)值模擬已經(jīng)發(fā)展成為關(guān)聯(lián)水力旋流器宏觀參數(shù)與分散相液滴微觀行為的有效方法，但現(xiàn)有研究主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對分離性能的影響，缺乏操作參數(shù)和物性參數(shù)對流場內(nèi)油滴粒徑分布變化以及分離性能影響的研究。本文基于CFD?PBM數(shù)值模擬，探究流量、溢流比、油相黏度及密度等因素對水力旋流器內(nèi)油滴粒徑分布和油水分離特性的影響規(guī)律，以期為水力旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新提供指導(dǎo)和幫助。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用常規(guī)切向入口雙錐型水力旋流器，主要由進液口、圓柱段、大錐段、小錐段、直尾管段、油相出口和水相出口組成，主要結(jié)構(gòu)及尺寸分別如圖1和表1所示。

圖1　常規(guī)切向入口雙錐型水力旋流器結(jié)構(gòu)示意

表1　常規(guī)切向入口雙錐型水力旋流器模型尺寸

注：表中除外，其余尺寸單位為mm。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響到數(shù)值模擬計算過程耗時及結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用商業(yè)軟件ANSYS ICEM進行網(wǎng)格劃分，整個計算域均采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為240 965，總節(jié)點數(shù)為253 746。由于水力旋流器入口附近區(qū)域的旋流場變化劇烈，湍流度及能量耗散較大，所以對該區(qū)域進行了局部網(wǎng)格加密處理，具體劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2　常規(guī)切向入口雙錐型水力旋流器網(wǎng)格劃分示意

1.2 物性參數(shù)及邊界條件

數(shù)值模擬計算過程中主體介質(zhì)水相的初始密度為998 kg/m3，黏度為1.00 mPa·s；油相的初始密度為890 kg/m3，黏度為3.32 mPa·s。根據(jù)室內(nèi)實驗測試結(jié)果，水力旋流器入口初始油滴粒徑分布采用正態(tài)分布（平均粒徑為84 μm）。常規(guī)切向入口雙錐型水力旋流器的入口設(shè)置為速度入口，入口湍流取值按水力直徑大小及湍流強度給定（5%），設(shè)定入口處油水混合物中油相體積分?jǐn)?shù)為5%。底流口和溢流口均設(shè)置為壓力出口，其中底流口壓力u=2×105Pa，溢流口壓力0=0 Pa，此時存在一定的背壓，可通過調(diào)節(jié)背壓來控制溢流分流比。壁面條件設(shè)置為無滑移壁面，壓力與速度的耦合算法采用SIMPLEC算法，離散格式采用QUICK差分格式。

1.3 模型設(shè)置

1.3.1多相流模型在ANSYS FLUENT中，歐拉?歐拉法提供了流體體積模型（Volume of Fluid）、混合模型（Mixture Model）和歐拉模型（Eulerian Model）等多相流模型。其中，混合模型和歐拉模型適用于多相流的混合或分離，但由于歐拉模型將各相均作為充滿計算區(qū)域的連續(xù)相進行處理，且考慮了相間的相互作用，計算精度優(yōu)于混合模型。因此本文采用歐拉模型作為多相流模型，該模型的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程為：

油水兩相之間的相互作用力主要有曳力、虛擬質(zhì)量力和升力。相較于曳力，虛擬質(zhì)量力和升力影響極小，因此只考慮曳力。相應(yīng)的表達式如下：

1.3.2湍流模型由于水力旋流器內(nèi)部流體處于各向異性湍流運動狀態(tài)，雷諾應(yīng)力模型（RSM）在計算突擴流和各向異性的流體流動時明顯優(yōu)于其他湍流模型，而且該模型對于旋流所引起的應(yīng)力張量劇烈變化做了充分考慮，可以給出較為精確的計算結(jié)果。故本文采用適合旋流場數(shù)值模擬的雷諾應(yīng)力模型（RSM）作為湍流模型。

1.3.3群落平衡模型群落平衡模型（PBM）是描述多相流體系中分散相粒徑分布的通用方法，它考慮顆粒間因聚并、破碎作用而引起的粒徑變化，主要通過在動量和能量守恒的基礎(chǔ)上添加一個平衡方程來描述粒子的平衡，群落平衡模型的守恒方程為：

在PBM模型內(nèi)提供了多種顆粒聚并與破碎模型，如Turbulent聚并模型和Luo破碎模型。Turbulent聚并模型根據(jù)顆粒直徑和最小渦尺寸的大小關(guān)系，將顆粒聚并機制分為黏性聚并和慣性聚并獨立計算，得到的結(jié)果最為準(zhǔn)確，因此選用Turbulent聚并模型，Hamaker常數(shù)設(shè)為默認(rèn)值2.3×10-20。Luo破碎模型是基于各向同性均勻湍流理論和概率統(tǒng)計而建立的顆粒破碎速率模型，在計算顆粒破碎速率和子顆粒大小分布函數(shù)方面具有較強的優(yōu)勢，近幾年來得到了廣泛應(yīng)用，因此選用Luo破碎模型，表面張力系數(shù)設(shè)為0.072 8 N/m。

1.4 網(wǎng)格獨立性驗證

為保證CFD數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性并減少計算量，需要進行網(wǎng)格獨立性驗證。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過20萬時，網(wǎng)格數(shù)量的增加對流場分布及分離效率結(jié)果幾乎無影響，說明網(wǎng)格數(shù)量在20萬左右時對應(yīng)的網(wǎng)格密度可以滿足計算精度要求，且計算耗時較短。因此，本文所有的數(shù)值模擬模型均采用20萬左右的網(wǎng)格單元數(shù)。

2 結(jié)果及分析

2.1 流場信息分布

2.1.1壓力分布對比=50 mm截面位置處的靜壓力分布曲線如圖3（a）所示。從圖3（a）中可以看出，水力旋流器內(nèi)的靜壓力呈軸對稱分布，即從軸心到器壁方向靜壓力逐漸增加，在器壁處靜壓力達到最大，軸心處的靜壓力最小。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，加載PBM模型后，在邊壁處的靜壓力略大于常規(guī)模型的靜壓力，但兩條曲線在整體上基本重合，即加載PBM模型后對流場內(nèi)的壓力分布沒有顯著影響。

2.1.2切向速度分布對比=50 mm截面位置處的切向速度分布曲線如圖3（b）所示。從圖3（b）中可以看出，由于建模時采用雙入口形式，模型內(nèi)的切向速度呈軸對稱分布和典型的Rankine渦分布。從軸心到器壁方向切向速度呈先增大后減小的趨勢，且存在最大切向速度。加載PBM模型后的切向速度分布曲線與常規(guī)模型的分布曲線在整體上基本重合，即加載PBM模型后對流場內(nèi)的切向速度分布沒有顯著影響。

2.1.3湍流耗散率分布對比=50 mm截面位置處的湍流耗散率分布曲線如圖3（c）所示。從圖3（c）中可以看出，水力旋流器內(nèi)的湍流耗散率分布呈軸對稱分布，即從軸心到器壁方向湍流耗散率逐漸增大，在壁面處湍流耗散率達到最大。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，加載PBM模型后，湍流耗散率的分布曲線與常規(guī)模型的分布曲線在整體上基本重合，即加載PBM模型后對流場內(nèi)的切向速度分布沒有顯著影響。

通過對比常規(guī)模型CFD數(shù)值模擬與CFD?PBM數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，二者得到的壓力場、速度場以及湍流耗散率等流場信息基本一致，這說明應(yīng)用CFD?PBM數(shù)值模擬對流場信息分布幾乎沒有影響，該結(jié)論與文獻[20]得到的結(jié)論保持一致。

圖3　流場信息分布對比

2.2 流場內(nèi)油相分布特性

圖4為基于CFD?PBM數(shù)值模擬所得水力旋流器中油滴索爾特平均直徑的分布結(jié)果。從圖4中可以明顯看出，尺寸較大的油滴主要集中在中心區(qū)域，而尺寸較小的油滴主要聚集于壁面附近。主要原因在于，旋流分離過程中受旋流離心力場作用，密度較輕的油相有向中心匯集趨勢，且粒徑越大向心運動越明顯；同時，油滴在向心運移過程中，由于擴散碰撞、速度梯度碰撞和湍流碰撞引起的油滴聚結(jié)過程強于湍流速度梯度引起的油滴破碎過程，最終導(dǎo)致中心區(qū)域油滴粒徑明顯高于壁面附近區(qū)域，此時油滴平均粒徑明顯高于初始平均粒徑，充分體現(xiàn)了油滴聚并與破碎過程對水力旋流器流場內(nèi)油相分布特性具有顯著影響，更好地反映出水力旋流器分離效率隨操作參數(shù)的變化情況，結(jié)果與文獻[15]得到的油相體積分布基本保持一致?；诰欢ㄖ惦x散相液滴粒徑CFD數(shù)值模擬方法沒有考慮流場中油滴的聚結(jié)與破碎，難以得到油滴的粒徑分布，進而影響對水力旋流器的分離性能的評價。但利用CFD?PBM數(shù)值模擬方法可以表征流場內(nèi)油滴的聚結(jié)與破碎以及油滴粒徑分布情況，使水力旋流器的分離性能更為真實，這也充分說明CFD?PBM數(shù)值模擬方法在模擬水力旋流器分離性能上的優(yōu)越性。

圖4　油滴的索特爾平均直徑分布

2.3 運行參數(shù)對水力旋流器分離性能影響

2.3.1入口流量 圖5（a）為不同入口流量條件下水力旋流器內(nèi)的切向速度分布曲線。從圖5（a中可以看出，在常規(guī)切向入口雙錐型水力旋流器內(nèi)，不同流量下的切向速度分布均呈軸對稱和典型的Rankine渦分布，旋轉(zhuǎn)流動由內(nèi)部的強制渦和外部的自由渦組成，在強制渦區(qū)域內(nèi)液滴切向速度隨旋轉(zhuǎn)半徑的增加而增大，自由渦區(qū)域內(nèi)的液滴速度因受到液滴間相互碰撞及相互作用力導(dǎo)致能量耗散、速度降低，在自由渦外邊界降至最低；根據(jù)水力旋流器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場的相關(guān)研究可知，切向速度在強制渦與自由渦的交界面處達到最大。顯然，該水力旋流器內(nèi)切向速度的分布規(guī)律與之相吻合。

圖5（b）為不同入口流量下流場內(nèi)湍流耗散率分布曲線。從圖5（b）中可以看出，靠近壁面處的湍流耗散率最大，且隨著入口流量的增大，湍流耗散率有增大趨勢。該處強湍流耗散率增大了油滴破碎幾率，這也是前述邊壁處粒徑分布普遍較小的原因之一。

圖6（a）為不同流量的條件下水力旋流器內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)平均油滴粒徑的變化情況。從圖6（a）中可以看出，各流域內(nèi)的油滴平均粒徑始終保持著“溢流管>大錐段>小錐段>旋流腔>尾管段”的趨勢。其原因為油水兩相經(jīng)雙切向入口進入到旋流腔區(qū)域，此時分散相油滴還未有效產(chǎn)生明顯聚結(jié)現(xiàn)象，故該區(qū)域的平均粒徑偏低；隨著油水兩相經(jīng)旋流腔區(qū)域向大錐段運移，此時油滴聚并幾率明顯高于破碎幾率，導(dǎo)致大錐段油滴粒徑明顯大于旋流腔區(qū)域；溢流管和尾管段分別屬于油相聚集區(qū)和水相聚集區(qū)，且經(jīng)大錐段和小錐段后大部分易分離油滴已經(jīng)進入到溢流管內(nèi)，因此溢流管油滴平均粒徑最大，而尾管段油滴平均粒徑最小。與此同時隨著入口流量的不斷增大，除尾管段外其他區(qū)域的油滴平均粒徑都呈增大趨勢，主要原因在于適當(dāng)提高湍流強度有利于中心區(qū)域油滴粒徑的聚結(jié)，進而提高分離效率，但流量過大時水力停留時間急劇縮短，使得部分油滴難以充分完成運移分離過程，容易導(dǎo)致分離效率降低；邊壁區(qū)域因強湍流容易導(dǎo)致油滴破碎，且破碎后油滴極易因彌散效應(yīng)進入到尾管段，導(dǎo)致該區(qū)域油滴粒徑減小趨勢逐漸變緩。

圖5　不同流量下的流場信息分布曲線

圖6（b）為不同流量下水力旋流器的分離效率的變化情況。從圖6（b）中可以看出，水力旋流器分離效率隨入口流量的增大呈先增大后減小的趨勢，其最佳處理量為4 m3/h，對應(yīng)的最大分離效率為98%，該結(jié)論與文獻[15?16]基本保持一致。

圖6　流量對平均粒徑與分離效率的影響曲線

2.3.2溢流分流比圖7（a）為不同溢流分流比條件下水力旋流器內(nèi)不同區(qū)域平均油滴粒徑的變化情況。從圖7（a）中可以看出，①各區(qū)域平均油滴粒徑關(guān)系與上述關(guān)系基本一致；②溢流管、大錐段、旋流腔、小錐段等區(qū)域的平均油滴粒徑均隨著溢流比的增加，呈明顯增加的趨勢。圖7（b）為溢流分流比對常規(guī)水力旋流器分離效率的影響。從圖7（b）中可以看出，隨著溢流分流比的增大，水力旋流器的分離效率也不斷增大，該結(jié)論與文獻[16]保持一致，并且與現(xiàn)有的實驗研究結(jié)果基本吻合。當(dāng)然，實際操作中不可能一直增大溢流分流比，往往需要根據(jù)分離性能的主要關(guān)注指標(biāo)合理選擇。

2.4 物性參數(shù)對水力旋流器分離性能影響

2.4.1油相黏度圖8（a）為不同油相黏度下水力旋流器不同流動區(qū)域內(nèi)的平均油滴顆粒變化情況。從圖8（a）中可知，各區(qū)域間平均油滴粒徑大小關(guān)系與前述基本一致。從油相黏度方面來看，溢流管、大錐段、旋流腔等區(qū)域的平均粒徑幾乎不隨著油相黏度的增加而發(fā)生較大波動，主要原因在于隨著油滴黏度的增大，油滴間的界面膜強度增大，從而導(dǎo)致油滴發(fā)生聚并的幾率降低。尾管段的油滴粒徑隨著黏度增大呈先較快增大后緩慢增大的趨勢，原因在于該區(qū)域的油相主要來源于油滴因破碎而未被分離的部分?？傮w而言，隨著油相黏度的增大，油滴所受到的黏性阻力逐漸增大，導(dǎo)致油滴需要更長的時間從邊壁處移動到軸心處，使得油滴不易聚結(jié)，無法從溢流口處排出。這也是導(dǎo)致水力旋流器分離性能隨黏度增大而逐漸降低的原因，具體如圖8（b）所示。

圖7　溢流分流比對平均粒徑與分離效率的影響曲線

圖8　油相黏度對平均粒徑與分離效率的影響曲線

2.4.2油相密度圖9（a）所示為不同油相密度下水力旋流器不同流動區(qū)域內(nèi)平均油滴顆粒變化情況。從圖9（a）中可知，各區(qū)域間平均油滴粒徑大小關(guān)系與前述基本一致。從油相密度方面來看，溢流管、大錐段、旋流腔等區(qū)域的平均粒徑均隨著油相密度的增加呈略微下降趨勢，主要原因在于油水兩相密度差較大，進入旋流腔后更容易在軸心處形成油核，使油相快速從溢流口處排出，未排出的油相經(jīng)小錐段在尾管段發(fā)生聚結(jié)，從底流口排出。隨著油水兩相的密度差不斷減小，導(dǎo)致油相不易在軸心處形成油核，并隨軸向速度向下運移，造成了尾管段平均油滴粒徑增大，進而導(dǎo)致水力旋流器分離效率降低，即分離效率隨著油水兩相密度差的減小而降低，具體如圖9（b）所示。

3 結(jié) 論

利用基于群落平衡模型的CFD數(shù)值模擬方法（CFD?PBM），對常規(guī)切向入口雙錐型水力旋流器內(nèi)包含油滴聚并和破碎過程的動態(tài)分離過程進行數(shù)值模擬，討論了入口流量、溢流分流比以及油相黏度等因素對水力旋流器流場分布特性和油水分離特性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）加載PBM模型與常規(guī)模型的靜壓力、切向速度及湍流耗散率等流場信息分布規(guī)律的研究結(jié)果表明，二者的流場信息基本一致。但利用CFD?PBM可以獲得水力旋流器內(nèi)部油滴粒徑分布及變化特性，有利于建立微觀流場分布特性及分散相液滴分布特性與宏觀油水分離特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進而有助于深入揭示水力旋流器分離機理。

（2）入口流量和溢流分流比等工況參數(shù)對大錐段、小錐段、旋流腔等區(qū)域平均油滴粒徑影響規(guī)律的研究結(jié)果表明，隨著入口流量的增加，水力旋流器的分離效率呈先增大后減小的趨勢，在處理量為4 m3/h時達到最高分離效率98%；溢流分流比的增大有利于促進分離效率的提升，實際操作中需要根據(jù)分離性能的主要關(guān)注指標(biāo)合理選擇確定。

（3）油相黏度及密度等物性參數(shù)對大錐段、小錐段、旋流腔等區(qū)域平均油滴粒徑影響規(guī)律的研究結(jié)果表明，油相黏度的增大導(dǎo)致油滴需要更長的時間從邊壁處移動到軸心處，油滴不易聚結(jié)，使分離效率明顯降低；油相密度增大導(dǎo)致油相不易在軸心處形成油核，并隨軸向速度向下運移，造成尾管段平均粒徑的增大，使分離效率明顯降低。模擬結(jié)果表明雙錐型水力旋流器對油相黏度及密度等物性參數(shù)具有一定的適應(yīng)范圍。

圖9　油相密度對平均粒徑與分離效率的影響曲線

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Study on Oil?Water Separation Characteristics of Hydrocyclone Based on CFD?PBM Numerical Simulation

Jia Peng1， Chen Jiaqing1， Cai Xiaolei1， Kong Lingzhen1， Wang Chunsheng2， Shang Chao2， Zhang Ming2， Shi Yi1

（1. School of Mechanical Engineering/ Beijing Key Laboratory of Pipeline Critical Technology and Equipment for Deepwater Oil & Gas Development，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China；2. Engineering Research & Design Center， CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China）

The flow field datributions of the hydrocyclone such as static pressure, tangential velocity and turbulent dissipation rate by loading PBM model and the conventional model, respectively. The results show that the two methods are approximately the same in the prediction of flow field characterics. Therefore, the CFD numerical simulation method based on the PBM model was used to simulate the separation characteristics of the hydrocyclone numerically. And the effects of the factors such as inlet flow rate, overflow split ratio, oil phase viscosity and density on the oil droplet size distribution and oil?water separation characteristics are explored. The results indicate that the separation efficiency of hydrocyclone increases firstly and then decreases with the rising of the inlet flow rate, and reaches a maximum efficiency of 98% as the processing capacity is 4 m3/h; the increase of the overflow split ratio is beneficial to improve separation efficiency; the radial force on the oil droplets decreases with the increasing of the viscosity of the oil phase, preventing aggregation and significantly reducing the separation efficiency as well; the higher density of the oil phase leads to larger the average oil droplet diameter of the tail pipe section and a reduced separation efficiency. Above all, the CFD?PBM numerical simulation method can be used to investigate the particle size distribution and variation characteristics of oil droplets in hydrocyclone, in order to reveal the separation mechanism of the hydrocyclone from different scales.

Hydrocyclone； Numerical simulation； Population balance model； Size distribution； Separation efficiency

TE964；TQ051

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2021.04.010

1006?396X（2021）04?0058?08

http://journal.lnpu.edu.cn

2019?12?01

2020?07?07

“十三五”國家科技重大專項子課題（2017ZX05032005?002）;北京市高水平創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃項目（IDHT20170507）。

賈朋（1994?），男，碩士研究生，從事環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備方面研究；E?mail：bhjiapeng@163.com。

陳家慶（1970?），男，博士，教授，從事環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備方面研究；E?mail：Jiaqing@bipt.edu.cn。

（編輯 王亞新）